[发明专利]可拆卸及封装压力可调的水凝胶储供液型无膜燃料电池

说明书

本发明公开了一种可拆卸及封装压力可调的水凝胶储供液型无膜燃料电池，包括从上往下设置的阴极盖板、自呼吸阴极电极、阳极电极和阳极板；阴极盖板上设置有阴极空气呼吸孔，自呼吸阴极电极放置在阴极空气呼吸孔内；其特征在于：在自呼吸阴极电极与阳极电极之间设置有阴极水凝胶和阳极水凝胶；阴极水凝胶设置在自呼吸阴极电极一侧，阳极水凝胶设置在阳极电极一侧，阳极水凝胶与阳极电极的催化层接触构成阳极反应界面，所述阴极水凝胶与自呼吸阴极电极的催化层接触构成阴极反应界面；所述阳极水凝胶的外侧设置有压力调节器，压力调节器根据阳极水凝胶内燃料浓度的变化对所述阳极水凝胶施加压力；本发明可广泛应用在能源、化工、环保等领域。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种可拆卸及封装压力可调的水凝胶储供液型无膜燃料电池。

背景技术

目前锂离子电池虽然已经广泛投入于实际商业应用，但是锂离子电池仍然存在负极锂枝晶生长，电池循环使用寿命短，能量密度低，无法持续运行等问题。燃料电池有着能量密度高，可连续运行等优点，只要不断供给燃料，燃料电池便可持续供能，因而具有广阔应用前景。目前，直接甲醇燃料电池(Micro direct methanol fuel cell)是微小型便携式电子设备(如笔记本电脑、微型摄像机、微小型电子设备等)的优选微型燃料电池型式，且甲醇性质较为稳定，在常温下为液态，便于储存和使用，同时反应生成物对环境无污染。但直接甲醇燃料电池采用质子交换膜作为电解质传导质子和分隔燃料/氧化剂，其本质上仍是质子交换膜燃料电池的一种，而质子交换膜存在的固有缺点(如成本高昂、水管理复杂，甲醇渗透、物理化学老化等问题)严重制约了微型燃料电池的发展。此外，在使用中，甲醇燃料一般存放在储液罐内，通过循环泵送入燃料电池阳极流道，而循环泵不仅需要消耗电能，降低电池净输出功率，同时还由于储液罐、运输通道等附加系统增加了电池结构的复杂性，不利于微型化和集成化，提高了整个电池的运行、维护和检修等工作成本。有研究人员提出了多种被动式燃料电池，如高置燃料罐是较为常见的一种方式，燃料通过重力驱动实现被动运输。但依靠重力驱动对燃料电池的运行条件造成了诸多限制，驱动力会随燃料消耗逐渐减小，燃料电池的放置位置和方向也会对驱动力造成影响，造成电池输出性能不稳。同时燃料罐的存在依旧会增加电池的体积。

近年来得益于微加工技术的发展，微流体燃料电池首次被美国哈佛大学Ferrigno等人首次提出。微流体燃料电池(Microfluidic fuel cells)又称为无膜燃料电池(Membraneless fuel cells)或层流流动燃料电池(Co-laminar flow based fuelcells)，它是基于流体在微尺度(1-1000μm)下具有的粘性力大于惯性力、表面力大于体积力、多股流体或两股流体可自然形成平行层流的特点，实现燃料和氧化剂的自然分隔，从而无需质子交换膜，完全消除了由膜引起的相关问题，有望成为下一代微型电子设备的供电电源。微流体燃料电池常用燃料一般有甲酸，甲醇等，常用氧化剂一般为溶解氧，过氧化氢，高锰酸钾等。这里以空气自呼吸阴极直接甲酸微流体燃料电池为例，阳极燃料/电解液和阴极电解液通过一定方式(通过注射泵主动运输或依靠重力被动运输)通入微通道中形成层流流动，燃料甲酸在阳极电极表面被氧化生成二氧化碳、质子和电子，二氧化碳随溶液排出，质子通过电解液传递到阴极，电子通过外电路到达阴极产生电流。氧气依次通过气体扩散层，微孔层到达阴极催化层结合质子和电子生成水。电池总反应为2HCOOH+O2→2CO2↑+2H2O，△E＝1.427V。然而，在电池内整个反应发生过程中，燃料和氧化剂层流流动仍需要泵维持，额外的泵功降低了电池的净输出功率。此外，在低流体流速下及在电池的下游中心区会发生燃料渗透现象，阳极燃料直接扩散至阴极发生反应，从而造成电池性能下降。燃料/电解液储液罐更增加了电池的整体体积，不利于电池微型化，且储液罐中液位变化所带来的流量变化无法调节。再者，电池内阴极电解液和阳极支持电解液一般为硫酸溶液，具有强酸性和腐蚀性，对于电池的密封及装配提出更高的技术要求。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提出了一种可拆卸及封装压力可调的水凝胶储供液型无膜燃料电池。